先進(jìn)功能二維材料的制備、表征及其在能源轉(zhuǎn)化方面的應(yīng)用.pdf

1、在過去的二三十年里，由于現(xiàn)代工業(yè)的快速發(fā)展，全球化石燃料的需求量呈幾何指數(shù)的增加，從而導(dǎo)致能源及環(huán)境問題日益嚴(yán)峻。因此，尋求可以替代的化石燃料成為世界范圍內(nèi)急需解決的重大問題。
　　二維材料由于具有優(yōu)異的物理與化學(xué)性質(zhì)，在能量儲存、化學(xué)催化、光電子器件等領(lǐng)域成為研究的熱點(diǎn)。
　　模擬光合作用，利用光電轉(zhuǎn)換技術(shù)實(shí)現(xiàn)太陽能到電能的轉(zhuǎn)化，進(jìn)而可以實(shí)現(xiàn)可持續(xù)能源的重復(fù)利用。目前，所有光電轉(zhuǎn)化材料中，基于無機(jī)材料的太陽能轉(zhuǎn)化技術(shù)已經(jīng)比

2、較成熟，但這種技術(shù)對于材料的高純度要求、較高的制造成本以及廢液污染等因素都嚴(yán)重影響了它的大規(guī)模生產(chǎn)應(yīng)用?；谶@些原因，從基礎(chǔ)研究的角度考慮，開發(fā)新的、高效率、低成本、綠色環(huán)保的功能化有機(jī)光伏材料被認(rèn)為是最具前景的方案之一。
　　另外一個可再生能源的研究熱點(diǎn)就是碳資源。CO2氣體是整個地球碳循環(huán)中非常重要的一環(huán)。在自然界中，CO2氣體主要是來源于有機(jī)物的腐爛，動植物的燃燒和呼吸，植物的光合作用再將CO2重新代入到碳循環(huán)中，進(jìn)而為整個

3、生物鏈提供生存所需的能量。但是由于人類的活動，特別是化石燃料的燃燒，嚴(yán)重破壞了自然界的碳平衡?；谶@個原因，如何設(shè)計(jì)并開發(fā)新的催化材料實(shí)現(xiàn)有效的CO2氣體減排并重新利用生成液體燃料，也成為了最新基礎(chǔ)研究的前沿?zé)狳c(diǎn)。
　　本文的主要內(nèi)容是利用先進(jìn)功能材料來實(shí)現(xiàn)可再生能源的能源轉(zhuǎn)化，并且達(dá)到環(huán)境友好的目的。主要工作如下:
　　1.設(shè)計(jì)并合成了基于小分子廉價染料靛藍(lán)的先進(jìn)功能化二維有機(jī)共軛光電材料，實(shí)現(xiàn)了基于廉價靛藍(lán)有機(jī)光伏小分子

4、的制備表征，并同時實(shí)現(xiàn)產(chǎn)物的可溶性及反應(yīng)的可控性，該種二維分子調(diào)控策略實(shí)現(xiàn)了在有機(jī)小分子中很難實(shí)現(xiàn)的從300 nm到750 nm可見光范圍的全光譜高效吸收，這一策略為有機(jī)光電材料的設(shè)計(jì)在方法學(xué)上提供了全新的思路;
　　2.合成了具有先進(jìn)功能化π電子體系的二維定向具有光電活性的共價有機(jī)框架材料(Covalent organic frameworks—COFs)薄膜。以典型的COF，LZUl-COF為例，詳細(xì)的研究了不同因素對薄膜生長

5、過程的控制，包括薄膜晶體在不同生長時間、不同單體濃度和不同襯底的對比等影響因素。并利用掠入射廣角X-射線散射(GIWAXS)測試薄膜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。首次揭示了COFs薄膜生長過程的，并通過化學(xué)摻雜提高了材料的導(dǎo)電性，為材料在有機(jī)光電轉(zhuǎn)化中的應(yīng)用提供了基礎(chǔ);
　　3.利用先進(jìn)功能化材料——氮摻雜二維石墨烯(N-graphene)電催化還原CO2為液體燃料，實(shí)現(xiàn)大氣中CO2的減排問題，并同時可以催化轉(zhuǎn)化為可利用的能源。首次利用合成的非金屬